|
Universets Mørke Tidsaldre
Astronomer prøver at udfylde de blanke sider i vort fotoalbum af det spæde univers
Abraham Loeb*
Når jeg ser op på himlen om natten, spekulerer jeg ofte på, om vi mennesker er for selvoptagede. Universet er meget mere, end hvad møder øjet på Jorden. Som astrofysiker har jeg det privilegium at blive betalt for at tænke over det og det sætter tingene i perspektiv for mig. Der er ting, som jeg ellers ville bekymre mig om – min egen død, for eksempel. Alle vil dø engang, men når jeg ser universet som helhed, giver det mig en fornemmelse af lang levetid. Jeg bekymrer mig ikke så meget om mig selv, som jeg ellers ville, på grund af det store billede. Kosmologer beskæftiger sig med nogle af de fundamentale spørgsmål, som folk forsøgte at løse i århundredernes løb gennem filosofisk tænkning, men vi gør det baseret på systematisk observation og en kvantitativ fremgangsmåde. Den måske største triumf i det seneste århundrede har været en model af universet, som støttes af en stor mængde data. Værdien af en sådan model for vort samfund værdsættes sommetider ikke nok. Når jeg åbner den daglige avis som en del af min morgenrutine, ser jeg ofte langstrakte beskrivelser af konflikter mellem folk om grænser, besiddelser eller friheder. Vore dages nyheder er ofte glemt nogle få dage senere. Men når man åbner gamle tekster, der har tiltrukket et bredt publikum over længre tid, som Biblen, hvad finder man så ofte i åbningskapitlet? En diskussion af hvordan universets bestanddele – lys, stjerner, liv – blev skabt. Skønt mennesker ofte indfanges af jordiske problemer, er de nysgerrige om det store billede. Som beboere af universet kan vi ikke lade være med at spekulere på, hvordan de første lyskilder dannedes, hvordan livet kom til at eksistere og om vi er alene som intelligente skabninger i dette uhyre rum. Astronomer er i det 21. århundrede unikt placeret til at kunne svare på disse store spørgsmål. Det, der gør moderne kosmologi til en empirisk videnskab, er, at vi bogstaveligt talt kan spejde ind i fortiden. Når man betragter sit billede, reflekteret fra et spejl en meter borte, ser man, hvordan man så ud for seks nanosekunder siden – lysets rejsetid til spejlet og tilbage. På samme måde behøver kosmologer ikke gætte på, hvordan universet udviklede sig; vi kan betragte dets historie gennem teleskoper. Da universet synes at være statistisk identisk i enhver retning, er det, vi ser milliarder af lysår borte, sandsynligvis en god beskrivelse af, hvordan vor egen plet i rummet så ud for milliarder af år siden. Observationskosmologiens endelige mål er at indfange hele universets historie og forsyne os med et sammenhængende billede af vor nedstamning fra en formløs gas af subatomare partikler. Vi har et lynskud af universet, som det var 400.000 år efter big bang – den kosmiske mikrobølge baggrundsstråling – såvel som billeder af individuelle galakser milliarder af år senere. I midten af næste årti har NASA planlagt opsendelse af et nyt rumteleskop, kaldet James Web Space Telescope (JWST), der burde kunne skelne de første galakser, som teoretikerne forudsiger dannedes ved en kosmisk alder på nogle hundrede millioner år. Men det efterlader alligevel et mægtigt hul. Imellem frigørelsen af mikrobølgebaggrunden og de første stråler af stjerneskin var der en periode, hvor universet var mørkt og mikrobølgebaggrunden ikke længere fulgte fordelingen af stof. Det kunne lyde som en ligegyldig, trist tid, en kedelig pause mellem det øjeblikkelige efterspil fra big bang og nutidens travle kosmos. Dog skete der en hel del i disse Mørke Tidsaldre: ursuppen udviklede sig til den rige zoo af himmellegemer, vi ser nu. Inde i det blæksorte samlede tyngdekræfterne objekter i kosmos. Situationen, som astronomerne står overfor, svarer til at have et fotoalbum med en person; det indeholder det første ultralydbillede af ham eller hende som en ufødt baby og nogle yderligere fotos som teenager og voksen. Hvis man ud fra disse billeder prøvede at gætte, hvad der skete i mellemtiden, kunne man tage alvorligt fejl. Et barn er ikke blot et forstørret foster eller en formindsket voksen. Det samme gælder for galakser. De fulgte ikke en ligefrem vej i udviklingen fra den begyndende sammenklumpning, der ses i mikrobølgebaggrunden. Observationer antyder, at universet gennemgik en skrap omdannelse i løbet af de Mørke Tidsaldre. Astronomerne leder i øjeblikket efter de manglende sider i det kosmiske fotoalbum, som vil vise, hvordan universet udviklede sig i sin barndom og lavede byggestenene af galakser som vor egen Mælkevej. For ti år siden, da jeg begyndte på dette arbejde, var kun en håndfuld forskere interesserede i det. Nu motiverer det en stor brøkdel af fremtidige observationsprojekter og giver lovning om at blive et af de mest spændende fronter i kosmologi i det næste årti.
Ifølge big bang teorien var det tidlige univers fyldt af varm plasma – en stor kedel af protoner, elektroner, fotoner og et lille antal spredte andre partikler. De frit bevægelige elektroner vekselvirkede med fotoner gennem en proces kaldet Thomson spredning, som koblede stof og stråling tæt sammen. Efterhånden som universet udvidede sig i størrelse, afkøledes det og da temperaturen faldt til 3.000 kelvin kombinerede protonerne og elektronerne sig og lavede elektrisk neutrale brintatomer. Processen med Thomson spredning sluttede og fotonerne ophørte med at vekselvirke så intensivt med stoffet og blev til mikrobølgebaggrunden. Den kosmiske udvidelse fortsatte med at afkøle gassen, så man kunne forvente, at den kosmiske gas stadig ville være kold og neutral i dag. Overraskende nok er den ikke det. Selv om verden omkring os er sammensat af atomer, findes størstedelen af universets stof i dag i form af plasma langt ude i det intergalaktiske rum. De observerede spektre af de fjerneste (og derfor ældste) kvasarer, galakser og gammestråle udbrud viser, at denne diffuse kosmiske brint var helt ioniseret ved en kosmisk alder på en milliard år [se ”The Emptiest Places,” af Evan Scannapieco, Patrick Petitjean og Tom Broadhurst; Scientific American, oktober 2002]. Et drillende tegn, på hvad der skete, kom for tre år siden (2003, o.a.), da Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) bekræftede, at mikrobølge baggrundsstrålingen er let polariseret. Neutral brint polariserer ikke denne stråling; det gør kun ioniseret brint. Mængden af polarisering tyder på, at gassen blev polariseret så tidligt som nogle få hundrede millioner år efter big bang. Derfor må atomerne være brudt ned til deres bestanddele, protoner og elektroner, ved slutningen af de Mørke Tidsaldre. De fleste forskere forbinder denne reionisering med den første generation stjerner. Ionisering af et brintatom kræver 13,6 elektronvolt, en mængde som leveres af en foton ultraviolet lys. Det er ikke en stor mængde energi – den svarer til omkring 109 joules pr. kilogram brint, meget mindre end de 1015 joules, der frigives ved kernefusion af den samme mængde brint. Hvis blot en milliontedel af gassen i universet gennemgik fusion inde i stjerner, ville det have produceret nok energi til at ionisere hele resten. Andre forskere gætter på, at materiale, der faldt ind i sorte huller, afgav den ioniserende stråling. Faldet ind i et sort hul frigiver 1016 joules pr. kilogram, så kun en 10-milliontedel af den kosmiske brint skulle falde ind i sorte huller for at ionisere resten. Stjerner og sorte huller opstår inde i galakser, så før reioniseringen kunne finde sted, måtte galakserne være blevet dannede. Skønt de fleste forestiller sig galakserne som samlinger af stjerner, betragter kosmologerne dem helt enkelt som store kluumper stof, i hvilke stjernerne er kommet til relativt sent. Faktisk består galakserne mest af mørkt stof, en indtil nu uidentificeret type materiale, der er usynligt. Galakser menes at være dannet, da et område af universet, som begyndte lidt tættere end middel, trak sig sammen under sin egen gravitation. Skønt området i begyndelsen udvidede sig ligesom resten af universet, bremsede dets ekstra gravitation udvidelsen, vendte den og fik området til at kollapse på sig selv og danne et afgrænset objekt: en galakse.
Kosmisk tidslinie Viser de Mørke Tidsaldre liggende mellem frigørelsen af mikrobølgebaggrundstrålingen og dannelsen af de første galakser og stjerner. Perioden sluttede gradvist efterhånden som stjernelys strømmede ud og skabte den ioniserede gas, der nu dominerer det intergalaktiske rum
Ifølge de nuværende modeller begyndte dværggalakser at dannes, da universet var 100 millioner år gammelt. De smeltede sammen og opbyggede med tiden større galakser. En moderne galakse som Mælkevejen involverede foreningen af en million sådanne byggesten. Inde i fostergalakserne afkøledes gassen, delte sig og blev til stjerner [se ”The First Stars in the Universe,” af Richard B. Larson og Volker Bromm; Scientific American, december 2001]. Stjernernes ultraviolette stråling lækkede ud i det interstellare rum, brød elektroner løs fra deres atomer og skabte en ekspanderende boble af ioniseret gas. Endnu flere bobler dukkede op, efterhånden som nye galakser fik fodfæste og den intergalaktiske gas lignede en schweitzerost. Boblerne begyndte at overlappe hinanden og fyldte med tiden hele rummet. Skønt rækkefølgen af begivenheder ovenfor lyder plausibel, har den indtil videre kun befundet sig i teoretikernes sind. Praktiske kosmologer ville gerne se direkte vidnesbyrd for reioniseringsepoken, før de tilføjer det manglende kapitel til deres lærebøger. Desuden kan kun observationer afgøre, om stjerner eller sorte huller dominerede reioniseringen og hvilke egenskaber det sorte stof havde. Men hvordan er sådanne observationer mulige, hvis de Mørke Tidsaldre var mørke, i det mindste i begyndelsen?
Heldigvis kan selv kold hydrogen udstråle en form for lys. Subatomare partikler har en indre retning, som kaldes spin, der kan pege i en af to retninger, som man plejer at kalde ”op” og ”ned.” Elektronen og protonen i et hydrogenatom kan enten pege i den samme retning (rettet ind) eller i modsatte retninger (ikke rettet ind). I den ikke rettede ind tilstand har atomet lavere energi. Hvis, f.eks., både elektronen og protonen peger op og elektronen så vender, så den peger ned, vil den atomare tilstand dale i energi og afgive en foton med en bølgelængde på 21 centimeter. Hvis atomet omvendt modtager en foton med denne bølgelængde, vil elektronen vende sig op. En 21 centimeter foton har meget mindre energi end de fotoner, der udsendes af hydrogen, når elektroner springer mellem banerne. Af denne grund kunne processen med spinvending foregå, selv da der endnu ikke var nogen skinnende stjerner. Energi fra mikrobølgebaggrundens stråling og fra kollisioner blandt atomerne ville have været nok til at vende elektronerne og få hydrogenen til at gløde svagt. Forholdet mellem atomer med spin, der var rettet ind, og dem, der ikke var rettet ind, definerede gassens såkaldte spin temperatur. En høj spin temperatur ville, f.eks., vise, at en stor brøkdel af atomerne var rettet ind. Teori viser derfor, at de Mørke Tidsaldre blev defineret af tre fremtrædende temperaturer: spin temperaturen (et mål for den relative udbredelse af atomer med forskellige spintilstande); den almidelige, kinetiske temperatur (et mål for atomernes bevægelser); og strålingstemperaturen (et mål for baggrundsfotonernes energi). Disse tre temperaturer kunne afvige fra hinanden afhængigt af, hvilke fysiske processer der virkede. I en mærkelig tretrins proces svarede spin temperaturen først til den kinetiske temperatur, så strålingstemperaturen og endelig den kinetiske temperatur endnu en gang. Efterhånden som rummet udvidede sig, afkøledes både gassen og strålingen. Overladt til sig selv ville gassen være afkølet hurtigere, men i begyndelsen modvirkede et lille antal resterende fri elektroner fra dannelsen af hydrogenatomer denne tendens. Disse elektroner virkede som mellemmænd ved overførslen af energi fra mikrobølgebaggrunden til atomerne og holdt alle tre temperaturer ens. Ti millioner år efter big bang fejlede elektronerne imidlertid i denne rolle, fordi mikrobølgebaggrunden var blevet for svag. Ligevægten mellem gassen og strålingen brød sammen og gassen begyndte at afkøles hurtigt. Kollisioner mellem atomerne holdt den kinetiske temperatur og spin temperaturen ens. I denne fase var hydrogen en netto optager af 21 centimeter fotoner og sugede energi fra mikrobølgebaggrunden (dog aldrig nok til at genoprette ligevægt). Et hundrede millioner år efter big bang skete der en anden overgang. Kosmisk udvidelse havde fortyndet gassens tæthed til et punkt, hvor kollisioner ikke skete hyppigt nok til at udligne spinnets temperatur og den kinestiske temperatur. Så opsamlede spinnene energi fra mikrobølgebaggrunden. Da spin temperaturen vendte tilbage til ligevægt med strålingstemperaturen, var hydrogen hverken en netto optager eller udsender af 21 centimeter fotoner. I denne periode kunne gassen ikke ses mod mikrobølgebaggrunden. Da de første stjerner og sorte huller tændtes, skete der en tredje overgang. De røntgenstråler, de afgav, hævede den kinetiske temperatur. Deres ultraviolette lys blev absorberet af hydrogenen og udstrålet igen. Elektronernes efterfølgende hinkeleg mellem atombanerne bragte spin temperaturerne og den kinetiske temperatur i ligevægt. Spin temperaturen steg over mikrobølgebaggrundens temperatur, så hydrogenen skinnede mere end baggrunden. At vende elektroner kræver meget mindre energi end at ionisere atomer, så galakserne fik hydrogenen til at gløde et godt stykke tid før de reioniserede den. Efterhånden som hydrogene blev ioniseret, afgav den lys på andre måder og den intergalaktiske 21 centimeter stråling døde hen.
Oprindelig snitoptagelse På grund af denne tretrins proces vil 21 centimeter himlen være enten lysere eller mørkere end mikrobølgebaggrunden afhængigt af tid og sted. Et andet fænomen, som observatører behøver at tage i betragtning, er, at kosmisk udvidelse har strakt fotonerne til længere bølgelængder. Siden starten på de Mørke Tidsaldre har universet udvidet sin størrelse med en faktor 1.000, så en 21 centimeter foton udsendt på den tid ankommer på Jorden med en bølgelængde på 210 meter. En foton udsendt henimod slutningen på de Mørke Tidsaldre flyttes til en bølgelængde på en eller to meter.
Hvordan man ser i mørket
Dette område af bølgelængder falder i det elektromagnetiske spektrums radiodel. Udstrålingen kan hentes med rækker af lavfrekvens antenner magen til dem, der bruges til TV og radiokommunikation. Adskillige grupper konstruerer i øjeblikket sådanne rækker. Mileura Widefield Array (MWA) i Western Australia vil bestå af 8.000 antenner, som er spredt over et 1,5 kilometer langt område og er følsomme for en bølgelængde på en til 3,7 meter. Det har en vinkelopløsning på nogle få bueminutter, hvilket svarer til en fysisk skala på omkring tre millioner lysår under de Mørke Tidsaldre. Andre projekter inkluderer Low-Frequency Array (LOFAR), Primeval Structure Telescope (PaST) og, længere ud i fremtiden, Square Kilometer Array (SKA). Ved at scanne bølgelængderne vil disse antenner sondere 21 centimeter udstrålingen til forskellige tider i den kosmiske historie. Astronomer vil kunne bygge et tredimensionalt kort over fordelingen af neutral hydrogen. De vil kunne iagttage tæthedssvingninger på én del af 100.000 (som i mikrobølgebaggrunden) blive størrelsesordener større. På stederne med størst tæthed burde galakser dannes og skabe bobler af ioniseret hydrogen. Boblerne formerer sig og smelter sammen og renser efterhånden det intergalaktiske rum for neutral hydrogen. Skarpheden af boblernes grænser vil besvare spørgsmålet om hvorvidt reioniseringen blev forårsaget af massive stjerner eller sorte huller. Massive stjerner udspreder det meste af deres energi i ultraviolet lys, som nemt blokeres af intergalaktisk hydrogen, hvorimod sorte huller mest producerer røntgenstråler, som trænger dybt ind i gassen. Så sorte huller frembringer mere udviskede grænser. Af flere grunde indeholder 21 centimeter kortet måske flere bits information end nogen anden undersøgelse i kosmologi – flere end selv den kosmiske mikrobølgebaggrund. For det første: hvor et billede af mikrobølgebaggrunden er todimensionalt, fordi det stammer fra et enkelt øjeblik i tiden ( da universet afkøledes under 3.000 kelvin), vil 21 centimeter kortet, som nævnt ovenfor, være helt tredimensionalt. For det andet: Mikrobølgebaggrunden er noget uklar, fordi dens frigørelse ikke skete på samme tid overalt. Universet gennemgik en periode, hvor det hverken var helt uigennemsigtigt eller helt gennemsigtigt, som en tåge der opløses gradvist. I den periode spredtes strålingen over korte afstandsskalaer og udtværede det, der var skrevet med småt på mikrobølgebaggrundens himmel. I kontrast hertil var der intet, der blokerede for 21 centimeter strålingens udbredelse i rummet, da den dukkede frem fra hydrogenatomerne, så den sporer gasfordelingen uden en sådan uklarhed. For det tredje: Mikrobølgebaggrunden bærer information om stoffets tæthedssvingninger, der såede galakserne, hvorimod 21 centimeter kortet vil afbilde både spirerne til galakser og den virkning som galakserne havde på deres omgivelser, da de var dannet. For at detektere 21 centimeter strålingen skal observatørerne overvinde talrige udfordringer. Lavfrekvens radioudsendelse på Jorden skal filtreres fra. Endnu vanskeligere vil det blive at behandle forgrundsradioudstråling fra vor galakse, som er 10.000 gange mere intens end signalet fra epoken med reionisering. Heldigvis er den galaktiske støj groft den samme ved lidt skiftende bølgelængder, hvorimod signalet svinger med bølgelængden, hvilket afspejler de ioniserede boblers rumlige struktur. Denne forskel gør det muligt at uddrage signalet. Astronomer burde kunne sammenligne 21 centimeter kortene med billeder fra instrumenter som JWST (James Webb Space Telescope). Galakserne set i infrarødt lys burde svare til ioniserede bobler i den neutrale hydrogen. Ud over de ovennævnte udfordringer til observatørerne resterer der et antal opgaver til teoretikerne. Det vigtigste er, at de behøver at køre større computersimuleringer for at spore hændelser i et rumfang af rummet, der er stort nok (en milliard lysår i tværsnit) til at være en repræsentativ statistisk prøve på vort univers og med høj nok opløsning til at fange dværggalakser. Simuleringen skal også spore udbredelsen af den ioniserende stråling fra galakserne gennem den omgivende gas, en proces der indtil nu kun er lavet meget grove modeller af. Observatørerne kunne meget vel se reionisering før teoretikerne er i stand til at forudsige, hvad de skulle se. Denne kombinerede indsats af observationer og teori burde kaste lys over forskellige mysterier, der nu plager teorien om galaksedannelse. Et sæt spørgsmål drejer sig om de massive sorte huller i galaksernes centre. I det sidste årti har astronomer erkendt, at næsten hver galakse i nutidens univers, inklusive vor egen Mælkevej, er vært for et massivt sort hul. Disse huller menes at blive fodret med gas i enkeltstående hændelser, udløst af galaksers sammensmeltning. Under disse spurter af vækst skinner tilvækstgassen meget mere lyst end hele resten af galaksen og frembringer en kvasar. Sloan Digital Sky Survey har afsløret, at kvasarer med sorte huller på mere end en milliard solmasser allerede fandtes ved en kosmisk alder på en milliard år. Hvordan kom så massive sorte huller til at eksistere så tidligt? Hvorfor stoppede de med at vokse? Et andet sæt drejer sig om størrelsesfordelingen af galakser. Teoretikerne tror, at den ultraviolette stråling, frembragt af dværggalakser under epoken med reionisering, opvarmede den kosmiske gas og undertrykte dannelsen af nye galakser med lille masse. Hvordan udfoldede denne undertrykkelse sig i tidens løb? Hvilke af de dværggalakser, vi finder i dag, eksisterede allerede i begyndelsen? Disse er kun nogle få af de mange spørgsmål, hvis svar ligger i de Mørke Tidsaldre.
Oplyse kosmos
Measuring the Small-Scale Power Spectrum of Cosmic Density Fluctuations through 21 cm Tomography Prior to the Epoch of Structure Formation. Abraham Loeb og Matias Zaldarriaga i Physical Review Letters, Vol. 92, No. 21 Paper No. 211301; 25. Maj, 2004. arxiv.org/abs/astro-ph/0312134
The State of the Universe. Peter Coles i Nature, Vol. 433, siderne 248-256; 25. Januar, 2005.
First Light. Abraham Loeb. Lecture notes for the SAAS-Fee Winter School, April 2006. arxiv.org/abs/astro-ph/0603360
Chasing Hubble's Shadows: The Search for Galaxies at the Edge of Time. Jeff Kanipe. Hill and Wang, 2006.
Cosmology at Low Frequencies: The 21 cm Transition and the High-Redshift Universe. Steven Furlanetto, S. Peng Oh og Frank Briggs i Physics Reports. arxiv.org/abs/astro-ph/0608032
*Abraham Loeb er førende i verden i det teoretiske studium af de første stjerner og sorte huller og reioniseringsepoken. Det, der driver ham, siger han, er en interesse for gamle filosofiske spørgsmål; de inspirerede ham til at gå ind i fysik som ung. Han er nu astronomiprofessor på Harvard University og besøgende professor på Weizmannn Institute of Science i Rehovot, Israel. Loeb har også været pioner i detektionen af udensols planeter gennem gravitationel mikrolinsning og produktionen af gammastråler i det intergalaktiske rum. Han tjente på den første arbejdsgruppe for James Webb Space Telescope og modtog et Guggenheim Fellowship i 2002.
Fra THE DARK AGES of the Universe, Scientific American, November 2006, side 22-29.
19. September, 2009. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
